RIS-K2探地雷達在地下管線竣工測量中的應用

李小強

摘要：本文首先研究分析了RIS-K2探地雷達儀器的具體構成以及指標、方法原理等;其次研究分析了RIS-K2探地雷達的特征以及相關參數選擇;最后對近間距平行管線、金屬與非金屬關系雷達探測的典型圖像給予了客觀形象的說明。

關鍵詞：RIS-K2探地雷達;地下管線竣工測量;應用

引言

最近幾年，我國的城市化建設進程不斷加速，諸多類型的高標準工程項目數量也隨之增加，工程的勘察、埋設物探查以及工程質量檢測等地質工作，都對于地下空間三維數據的相關要求與標準不斷提升。探地雷達主要是用確定地下介質分布的廣譜電磁波技術，由一個天線發射高頻率寬頻帶短脈沖電磁波，另一個天線接收來自地下介質界面的反射波。在發揮電磁波作用，在介質中進行傳播時，其路徑、電磁場強度與波形，或隨著所通過介質的電性質與幾何形態的變化對地質狀況進行客觀分析。由于具有經濟、快速、對工程現場的破壞性和對外界干擾影響小等特點，在解決城市地質勘測問題時顯示出獨特的優勢。

一、RIS-K2探地雷達儀器構成與指標

（一）RIS-K2探地雷達儀器構成

RIS-K2探地雷達是意大利產的新一代探地雷達設備，同時也是當前相對最小與最輕的多通道探地雷達數據的采集單位。整機的重量大約是1.6KG，其中包含電池。升級到了8個數據通道，更高速的脈沖重復頻率會令數據收集的速度更快。其系統硬件的組成部分主要包含：天線、網絡電纜、筆記本電腦、DAD控制單元等。

DAD控制單元是與天線直接相連到一起的，有單通道、雙通道與四通道這幾種，實現雷達數據的數字化，并且進行相關傳輸。其接口主要包含如下幾方面：Battery Port與電池連接、Wheel Port連接測量輪位置傳感器的呢過。

天線主要分為了單天線與天線陣。天線的頻率大約有：80MHZ、100MHZ、150MHZ、400MHZ、600MHZ等。

（二）指標

電性指標：12V直流電源，電壓13.5～13.8V。

環境指標：工作溫度大約是-10℃～40℃，相對濕度<90%，防水、防塵、防爆的標準已經達到了IP65。

軟件指標：數據的顯示方式主要是行掃掃描，時變增益主要是人工或者自動調節的方式;垂直濾波大約包含高通和低通濾波器等。

二、RIS-K2探地雷達理論

（一）探地雷達原理

探地雷達主要是使用高頻電磁波對地下介質結構與特征進行探測的一種物探技術，其主要由發射--接收裝置所組成，主要使用發射天線向地下介質發放電磁波，電磁波在介質中進行傳播的時候，相關的路徑、波形也會隨著介質的電磁波與幾何形態的不同而隨之出現變化。反射的電磁回波主要由接收天線來進行接收的。依照接收到的探地雷達剖析圖，精準定位地下目標，明確其位置與埋深。

探地雷達的觀測方式主要包含剖面法、寬角法等幾種。本文所介紹的RIS-K2探地雷達所指的就是零天線距的相關剖面法。探地雷達的工作方式主要是反射剖面法，其采樣記錄則多數都是數字化形式。波形的正負峰可分別使用黑白與灰階段，或者是彩色表示。在雷達圖像上，管線異常的特征主要是一條雙曲線，一般可依照此異常的特征對管線的位置及深淺進行客觀判定。

（二）常見介質的電磁學特征

所謂探地雷達所使用的物性前提條件，假腿指的是在目標管線與周邊介質的介電常數、電導率、電磁波速等方面都存在著較大差異。諸多與管線探測有關系的介質電磁表參數如下表1所示。

通過表1顯示可知，金屬的管壁與周邊介質粉質粘土的相關電常數間有著比較大的差距。金屬管道的上臂發生全反射，沒有底反射，再沒有能量進入到下管壁中，此時金屬管線中，電磁波的波速基本判定為零。非金屬的管線自身材質和周邊介質有著較大的差異，例如混凝土介電常數是6.4，傳播的速度是0.12m/ns，并且管道內的介質像是水、氣體等，與周邊介質電磁性相對，都存在著較大的差異。反射系數與波速基本由介電常數決定，如果設定反射系數為R，光速是c，周圍的介質是ε1、管線或者管線內介質ε2，其相互關系表現為：

電磁波主要通過空氣滲透到地下中，并且也會出現強反射。如果地下出現了管線或者疏松帶，這時雷達系統所接受的回波幅度會變大。同時在雷達剖面方面也會產生較為典型的雙曲線的反映。

若目標管線反射系數|R|≥0.1，是與雷達探測的對應無形條件十分契合的。

（三）地下管線的探地雷達異常特征

對管線探測而言，探地雷達的反射波組，實際從兩個方面進行了對應解釋。

其一，反射波組的同相性所組成的同相軸，代表的是管線空間位置客觀判別的關鍵性標準，同時也是一種孤立的相關埋設物，其具體的反射波的同相軸表現在如下幾方面：管線表現是圓形管道的時候，是向下開口的拋物線呈現傘狀的，頂部的反射振幅也相對較強。在表現為溝道式或管塊形狀時，同相軸是十分有限的平板狀，反射的實際界面中部是平板狀，兩端呈現出了半支下開口拋物線。

其二，地下界面的上下介質之間無形差異特征，基本確定了電磁波的具體傳播特征，無形差異的增大，代表著反射波往往更強，振幅也會隨之增加，上下介質波速大小和反射波振幅方向存在直接的聯系，介電常數較小的進入介電常數較大的介質里，反射的系數則是負，因此代表著反射波振幅反向。

三、 RIS-K2探地雷達儀器及使用

（一）儀器特點

使用 RIS-K2探地雷達之時，一般會配備200MHZ、600MHZ兩種頻率的屏蔽天線，一般可以單獨使用，也可以將其組合起來合成天線陣使用，并且搭配Grswin2解釋軟件。此系統一般是多通道連續采樣雷達，可進行單獨掃描，可2通道掃描一次，獲得多張同一斷面的雷達圖。進行探測之時，對其進行實時查看、標注與分析探測結果。該系統的組成部分是DAD控制單元、發射與接受天線、測距輪、電纜與電池系統等。并且此系統的天線屏蔽相對較好，對于環境的抵抗干擾能力也相對較強，有著相對較高的分辨率。這一系統可對雷達探測管線的結果進行現場解釋。實時顯示以及回拖定位的功能，對提升探測速度與定位精度非常有益。另外，該軟件的界面比較友好，編輯與處理起來也非常便捷。

（二）探測參數選擇

在采樣時，時窗選取為探測深度的2倍左右;一般狀況下選擇自動增益的方式方法，有助于獲得更顯著的探測效果，但需注意，地面或地下介質出現變化之時，需及時重新收獲自動增益曲線，之后繼續開展探測活動。

（三）選定波速V

一般選擇已知的管線標定波速v的方式。進行探測作業之前，在測區范圍內選擇數個已知深度的管線點完成波速測量。

（四）管線狀況調查

為有效提升探測效率并控制工作出現失誤狀況的概率，開展探測工作之前，不但需對管線的審核書、報建圖進行深入研讀，同時還需調查了解目標管線的材料、管徑、埋深、鋪設走向和其他埋設物等狀況。

（五）測線布設

測線彼此平行并垂直目標管線軸向布設;如果不清楚目標管線的走向，需及時更改測線的具體方向，盡量防止出現目標漏測的問題。

四、管線探測典型圖像特征

（一）多條近距平行管線異常圖像

測區內的管線種類往往比較多，并且多為平行鋪設，一旦使用管線儀對其進行定位，測深時則可能出現較大的誤差，因此需使用GPR開展定位與測深作業。

圖1是廣州某道路西側給水管線穿過道路處的GPR圖像，天線是200MHz。從圖中可清晰明確地看到在2.6m與3.5m處存在埋深分別為1.05m及1.0m的鑄鐵給水管，雙曲線比較明顯與完整，不存在多次反射波。如果使用管線儀進行探測，由于兩條給水管間距比較小，并且處于平行鋪設狀態，不管使用峰值法還是谷值法都無法對其進行準確區分。4.8m與5.4m處是兩根電線預埋穿過公路的DN150鋼套管異常。

圖2為廣州某村，0.9m處是DN89煤氣鋼管的異常，埋深為0.51m。其特征主要是雙曲線十分明顯，有著較強的反射波，無多次波。在1.9m處是DN150PE給水管的異常，特征是雙曲線十分明顯，兩葉長，反射波也較強，同時有著多次反射波。2.55m處是直埋中壓電力電纜的異常，其反射波相對十分弱。

（二）溝道異常圖像

圖3 所指的是廣州某區西湖路的0.4m至1.6m處1200mm×800mm電力溝的異常狀況，圖中可十分清晰的看到溝兩側的繞射波與底部反射波的特征剖面圖的上層異常狀況是正向連續同相軸板狀體異常，正向同相軸對應內部空間頂界面，下部是強反射異常與多次波異常。在大約2.1m深的地方是沒有拆除的DN200鑄鐵給水舊管的異常狀況，其主要埋深是0.5m;在4.95m處是DN200PE給水管，其埋深主要是1.25m，并且存在多次波，是目標管線。

（三）金屬給水管異常圖像

金屬有著較大的導電率，并且電磁波的衰減也相對較大，金屬管頂反射出現了一些極性的反轉，并且也基本不存在無管底的反射信息。圖1左邊的DN200與DN300鑄鐵給水管、圖2左邊的DN89煤氣鋼管異常、圖3右邊的DN200鑄鐵給水的GPR圖像，都是雙曲線十分明顯與完整的表現，但是不存在多次反射波。

結語

綜上所述，埋設的管道與周圍介質都存在著物性差異，在對其進行探測時，需依照已知到未知，簡單到復雜的相關原則。將異常特征類比法的作用發揮出來，對目標管線進行識別與區分。作為一種高新儀器，RIS-K2探地雷達的圖像直觀，分辨率也相對較高，操作起來十分便利，具備一定的無可比擬的優勢，對解決管線探測中存在的問題十分有利。

參考文獻：

[1]王隨柱，鄭軍. RIS-K2探地雷達在兵團公路建設檢測中的應用[C]. 中國公路學會養護與管理分會.2014全國公路養護技術學術年會論文集路面卷.中國公路學會養護與管理分會：中國公路學會養護與管理分會，2015：316-320.

[2]趙文東，李慶彪.RIS K2探地雷達在大理市地下管線普查中的應用[J].辦公自動化，2014（S1）：206-214.

[3]張漢春. RIS-K2探地雷達的地下管線圖像特征[C]. 中國測繪學會工程測量分會.數字測繪與GIS技術應用研討交流會論文集.中國測繪學會工程測量分會：中國測繪學會，2008：466-471.

[4]何自強，張恒，周奇才，何宏宇.RIS—K2型探地雷達數據的分析及處理[J].工程地球物理學報，2007（06）：540-544.

[5]張漢春，曹震峰.RIS-K2探地雷達在地下管線竣工測量中的應用[J].工程地球物理學報，2007（05）：395-399.